Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Capítulo 2 átomos, moléculas e íons QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição David P. White.

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1 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Capítulo 2 átomos, moléculas e íons QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição David P. White

2 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Os gregos antigos foram os primeiros a postular que a matéria é constituída de elementos indivisíveis. Mais tarde, os cientistas constataram que o átomo era constituído de entidades carregadas. 1803 - John Dalton: –Cada elemento é composto de átomos. –Todos os átomos de um elemento são idênticos. –Nas reações químicas, os átomos não são alterados. Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam. Teoria atômica da matéria

3 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Lei de Dalton das Proporções MúltiplasLei de Dalton das Proporções Múltiplas: Quando dois elementos formam diferentes compostos, a proporção da massa dos elementos em um composto está relacionada à proporção da massa do outro através de um número inteiro pequeno. Teoria atômica da matéria

4 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education 1833 – Faraday –Realizou estudos sobre eletrólise, estabelecendo indícios sobre a natureza da eletricidade e a estrutura elétrica dos átomos. 1874 – Stoney –Sugeriu o nome elétron para a partícula elétrica fundamental, mas sem evidências 1897 – Thomson –Raios catódicos Teoria atômica da matéria

5 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Raios catódicos e elétrons Um tubo de raios catódicos (CRT) é um recipiente profundo com um eletrodo em cada extremidade. Uma voltagem alta é aplicada através dos eletrodos. A descoberta da estrutura atômica

6 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Raios catódicos e elétrons A voltagem faz com que partículas negativas se desloquem do eletrodo negativo (cátodo) para o eletrodo positivo (ânodo). A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um campo magnético. Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo através de um pequeno orifício. –Se eles interagirem com um campo magnético perpendicular a um campo elétrico aplicado, os raios catódicos podem sofrer diferentes desvios. A descoberta da estrutura atômica

7 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Raios catódicos e elétrons A descoberta da estrutura atômica

8 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Pela medida do desvio dos raios catódicos sob a ação de um campo magnético, Thomson determinou, pela primeira vez, o valor da relação e/m entre a carga do elétron (e) e sua massa (m). Ele verificou que o valor de e/m era o mesmo, qualquer que fosse a natureza do cátodo e do gás residual da ampola e = -1 m = 1/1840 da massa do Hidrogênio A descoberta da estrutura atômica

9 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Raios catódicos e elétrons Considere o seguinte experimento: Gotas de óleo são borrifadas sobre uma chapa carregada positivamente contendo um pequeno orifício. À medida que as gotas de óleo passam através do orifício, elas são carregadas negativamente. A gravidade força as gotas para baixo. O campo elétrico aplicado força as gotas para cima. Quando uma gota está perfeitamente equilibrada, seu peso é igual à força de atração eletrostática entre a gota e a chapa positiva. A descoberta da estrutura atômica

10 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Raios catódicos e elétrons - Millikan Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education A descoberta da estrutura atômica

11 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Raios catódicos e elétrons Utilizando este experimento, Millikan determinou que a carga no elétron é 1,60 x 10 -19 C. Conhecendo a proporção carga-massa, 1,76 x 10 8 C/g, Millikan calculou a massa do elétron: 9,10 x 10 -28 g. Com números mais exatos, concluimos que a massa do elétron é 9,10939 x 10 -28 g. A descoberta da estrutura atômica

12 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Radioatividade Considere o seguinte experimento: Uma substância radioativa é colocada em um anteparo contendo um pequeno orifício de tal forma que um feixe de radiação seja emitido pelo orifício. A radiação passa entre duas chapas eletricamente carregadas e é detectada. Três pontos são observados no detector: –um ponto no sentido da chapa positiva, –um ponto que não é afetado pelo campo elétrico, –um ponto no sentido da chapa negativa. A descoberta da estrutura atômica

13 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Radioatividade A descoberta da estrutura atômica

14 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Radioatividade Um alto desvio no sentido da chapa positiva corresponde à radiação que é negativamente carregada e tem massa baixa. Essa se chama radiação  (consiste de elétrons). Nenhum desvio corresponde a uma radiação neutra. Essa se chama radiação  Um pequeno desvio no sentido da chapa carregada negativamente corresponde à radiação carregada positivamente e de massa alta. Essa se chama radiação . A descoberta da estrutura atômica

15 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education O átomo com núcleo Pela separação da radiação, conclui-se que o átomo consiste de entidades neutras e carregadas negativa e positivamente. Thomson supôs que todas essas espécies carregadas estavam misturadas como num PUDIM DE AMEIXAS. A descoberta da estrutura atômica

16 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education O átomo com núcleo Rutherford executou o seguinte experimento: Uma fonte de partículas  foi colocada na boca de um detector circular. As partículas  foram lançadas através de um pedaço de chapa de ouro. A maioria das partículas  passaram diretamente através da chapa, sem desviar. Algumas partículas  foram desviadas com ângulos grandes. Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto, o resultado de Rutherford seria impossível. A descoberta da estrutura atômica

17 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education

18 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education O átomo com núcleo Para fazer com que a maioria das partículas  passe através de um pedaço de chapa sem sofrer desvio, a maior parte do átomo deve consistir de carga negativa difusa de massa baixa  o elétron. Para explicar o pequeno número de desvios grandes das partículas  o centro ou núcleo do átomo deve ser constituído de uma carga positiva densa. A descoberta da estrutura atômica

19 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education O átomo com núcleo Rutherford modificou o modelo de Thomson da seguinte maneira: –Suponha que o átomo é esférico mas a carga positiva deve estar localizada no centro, com uma carga negativa difusa em torno dele. A descoberta da estrutura atômica

20 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education O átomo consiste de entidades neutras, positivas e negativas (prótons, elétrons e nêutrons). Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo do átomo, que é pequeno. A maior parte da massa do átomo se deve ao núcleo. –Pode haver um número variável de nêutrons para o mesmo número de prótons. Os isótopos têm o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons. Os elétrons estão localizados fora do núcleo. Grande parte do volume do átomo se deve aos elétrons. A descoberta da estrutura atômica

21 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education A descoberta da estrutura atômica

22 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Dualidade Partícula x Onda O modelo de Bohr não é aplicável para todos os átomos e através de cálculos matemáticos a melhor maneira de descrever o comportamento dos elétrons em um átomo é através da mecânica quântica Por esta explicação os elétrons, em um momento, se comportariam como partículas, em outro como ondas (De Broglie). Equação de Schröndinger – orbitais

23 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Modelo Atômico

24 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Orbitais Orbital: região do espaço de um átomo com maior probabilidade de se encontrar um elétron Camadas de energia: K, L, M, N, O, P,.... Números quânticos: utilizados para descrever a posição de um elétron no espaço ao redor no núcleo (eletrosfera) – 4 números quânticos

25 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Números Quânticos Número Quântico Principal (n) – Define o nível de energia para um orbital K- n = 1 L- n = 2 M- n = 3 N- n = 4 O- n = 5 P- n = 6

26 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Números Quânticos Número Quântico Secundário ou Azimutal ( l ) – Um elétron em movimento angular ao redor do núcleo possui velocidade e momento angular. Este momento angular é o número quântico secundário. – O valor varia de 0 até (n-1).

27 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Números Quânticos Número Quântico Magnético (m) – O momento angular cria um momento magnético – Os valores variam de (- l ) até (+ l )

28 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Número Quântico Magnético Spin (s): – O elétron possui um momento angular intrínseco – Os valores de s são: +1/2 ou -1/2, definidos por convenção (  = +1/2 e  = -1/2) Números Quânticos Ex: 4p 1 n = 4 l = 1 m = -1 s = +1/2

29 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Distribuição Eletrônica

30 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Regra de Hund O elétron sempre deve ocupar o orbital de menor energia Ex: 17 Cl 4 Be 14 Si

31 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Faça a distribuição eletrônica dos seguintes elementos, informando os 4 números quânticos para o último elétron. 11 Na 20 Ca 6 C 16 S 53 I – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 – 1s 2 2s 2 2p 2 – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 5 n = 3l = 0 m = 0s = +1/2 n = 4l = 0 m = 0s = +1/2 n = 2l = 1 m = 0s = +1/2 n = 3l = 1 m = -1s = -1/2 n = 5l = 1 m = 0s = -1/2

32 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Isótopos, números atômicos e números de massa Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo. Número de massa (A) = número total de partículas no núcleo (por exemplo, prótons e nêutrons). Por convenção, para um elemento X, escreve-se Z A X. Isótopos têm o mesmo Z, porém A é diferente. Encontramos o Z na tabela periódica. A visão moderna da estrutura atômica

33 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education A escala de massa atômica A massa do 1 H é 1,6735 x 10 -24 g e do 16 O é 2,6560 x 10 -23 g. Definimos: a massa de 12 C = exatamente 12 uma. Usando unidades de massa atômica: 1 u = 1,66054 x 10 -24 g 1 g = 6,02214 x 10 23 uma Pesos atômicos

34 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Massas atômicas médias A massa atômica relativa: massas médias dos isótopos: – O C natural: 98,892 % de 12 C + 1,107 % de 13 C. A massa média do C: (0,9893)(12 u) + (0,0107)(13,00335) = 12,01 u A massa atômica (MA) é também conhecida como massa atômica média. As massas atômicas estão relacionadas na tabela periódica. Pesos atômicos

35 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education A tabela periódica é utilizada para organizar os 114 elementos de modo significativo. Como consequência dessa organização, existem propriedades periódicas associadas à tabela periódica. A tabela periódica

36 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education As colunas na tabela periódica chamam-se grupos (numeradas de 1A a 8A ou de 1 a 18). As linhas na tabela periódica chamam-se períodos. Os metais estão localizados no lado esquerdo da tabela periódica (a maioria dos elementos são metais). Os não-metais estão localizados na parte superior do lado direito da tabela periódica. Os elementos com propriedades similares, tanto com os metais quanto com os não-metais, são chamados metalóides e estão localizados no espaço entre os metais e os não-metais. A tabela periódica

37 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Alguns dos grupos na tabela periódica recebem nomes especiais. Estes nomes indicam as similaridades entre os membros de um grupo: Grupo 1A: Metais alcalinos Grupo 2A: Metais alcalinos terrosos Grupo 6A: Calcogênios Grupo 7A: Halogênios Grupo 8A: Gases nobres A tabela periódica

38 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Moléculas e fórmulas químicas Moléculas são reuniões de dois ou mais átomos ligados entre si. Cada molécula tem uma fórmula química. A fórmula química indica –quais átomos são encontrados na molécula e –em qual proporção eles são encontrados. Compostos formados a partir de moléculas são compostos moleculares. As moléculas que contêm dois átomos ligados entre si são chamadas moléculas diatômicas. Moléculas e compostos moleculares

39 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Moléculas e fórmulas químicas Moléculas e compostos moleculares

40 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Fórmulas moleculares e mínimas Fórmulas moleculares –Fornecem os números e tipos reais de átomos em uma molécula. –Exemplos: H 2 O, CO 2, CO, CH 4, H 2 O 2, O 2, O 3 e C 2 H 4. Moléculas e compostos moleculares

41 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Fórmulas moleculares e mínimas Fórmulas moleculares Moléculas e compostos moleculares

42 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Fórmulas moleculares e mínimas Fórmulas mínimas –Fornecem os números e tipos relativos de átomos em uma molécula. –Isto é, elas fornecem o menores números inteiros proporcionais possíveis dos átomos em uma molécula. –Exemplos: H 2 O, CO 2, CO, CH 4, HO, CH 2. Moléculas e compostos moleculares

43 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Desenhando as moléculas As moléculas ocupam um espaço tridimensional. No entanto, normalmente as representamos em duas dimensões. A fórmula estrutural fornece a conectividade entre átomos individuais na molécula. A fórmula estrutural pode ou não ser usada para se mostrar a forma tridimensional da molécula. Se a fórmula estrutural mostra a forma da molécula, então usa-se o desenho em perspectiva: o modelo de bola e palito ou o modelo de preenchimento do espaço. Moléculas e compostos moleculares

44 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Desenhando as moléculas Moléculas e compostos moleculares

45 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Quando um átomo ou uma molécula perde elétrons, eles ficam com carga positiva. –Por exemplo, quando o Na perde um elétron, ele se transforma em um íon Na +. Íons com carga positiva são chamados de CÁTIONS. Ións e compostos iônicos

46 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Quando um átomo ou uma molécula ganha elétrons, eles ficam com carga negativa. Por exemplo, quando o Cl ganha um elétron ele se transforma em Cl ‾. Íons com carga negativa são chamados de ÂNIONS. Um átomo ou uma molécula pode perder mais de um elétron. Ións e compostos iônicos

47 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Em geral: átomos metálicos tendem a perder elétrons para se transformarem em cátions; íons não-metálicos tendem a ganhar elétrons para formarem ânions. Previsão das cargas iônicas O número de elétrons que um átomo perde está relacionado com a sua posição na tabela periódica. Ións e compostos iônicos

48 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Previsão das cargas iônicas Ións e compostos iônicos

49 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Compostos iônicos Grande parte da química envolve a transferência de elétrons entre substâncias. Exemplo: –Para formar o NaCl, o átomo de sódio neutro, Na, deve perder um elétron para se transformar em um cátion: Na +. –O elétron não pode ser totalmente perdido, dessa forma ele é transferido para um átomo de cloro, Cl, que então se transforma em um ânion: o Cl -. –Os íons Na + e Cl - ligam-se para formar o cloreto de sódio (NaCl), mais conhecido como sal de cozinha. Ións e compostos iônicos

50 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Compostos iônicos Ións e compostos iônicos

51 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Compostos iônicos Importante: observe que não existem moléculas de NaCl facilmente identificáveis na rede iônica. Portanto, não podemos usar fórmulas moleculares para descrevermos substâncias iônicas. Considere a formação do Mg 3 N 2 : O Mg perde dois elétrons para se transformar em um Mg 2+ ; O nitrogênio ganha três elétrons para se transformar em um N 3-. Para uma substância neutra, o número de elétrons perdidos e ganhos deve ser igual. Ións e compostos iônicos

52 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Compostos iônicos No entanto, o Mg só pode perder elétrons de dois em dois, e o N só pode receber elétrons de três em três. Conseqüentemente, o Mg precisa perder 6 elétrons (2  3) e o N precisa ganhar esses 6 elétrons (3  2). Isto é, 3 átomos de Mg precisam formar 3 íons Mg 2+ (totalizando 3  2+ cargas), e 2 átomos de N precisam formar 2 íons N 3- (totalizando 2  3- cargas). Portanto, a fórmula é Mg 3 N 2. Ións e compostos iônicos

53 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education A nomenclatura de compostos é dividida em compostos orgânicos (aqueles que contêm C) e compostos inorgânicos (o resto da tabela periódica). Os cátions formados a partir de um metal têm o mesmo nome do metal. Exemplo: Na + = íon de sódio. Nomeclatura de composto inorgânicos

54 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Se o metal puder formar mais de um cátion, a carga é indicada entre parênteses no nome. Exemplos: Cu + = cobre (I) ou cuproso Cu 2+ = cobre (II) ou cúprico Os cátions formados de não-metais têm a terminação - io. Exemplo:NH 3 molécula de amônia NH 4 + íon amônio. Nomeclatura de composto inorgânicos

55 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Nomeclatura de composto inorgânicos

56 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Os ânions monoatômicos (com apenas um átomo) são chamados  eto. Exemplo: Cl  é o íon cloreto. Exceções: hidróxido (OH  ), cianeto (CN  ), peróxido (O 2 2  ). Os ânions poliatômicos (com muitos átomos) que contêm oxigênio têm a terminação -ato ou -ito. (Aquele com mais oxigênio é chamado -ato.) Exemplos: NO 3 - é o nitrato, NO 2 - é o nitrito. Nomeclatura de composto inorgânicos

57 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Nomeclatura de composto inorgânicos

58 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Para o composto iônico dá-se o nome para o ânion seguido do prefixo “de” e do nome do cátion. Exemplo: BaBr 2 = brometo de bário. Nomeclatura de composto inorgânicos

59 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Nomeclatura de composto inorgânicos

60 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education Nomes e fórmulas dos ácidos Os nomes dos ácidos estão relacionados com os nomes dos ânions: eto …..transforma-se em ácido ….-ídrico; ato …. transforma-se em ácido ….-ico; ito …. transforma-se em ácido ….-oso. Nomeclatura de composto inorgânicos

61 Capítulo 02 © 2005 by Pearson Education